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Fundamentos de Telecomunicações. Aula 4: Multiplexagem . Sumário. TDM -Multiplexagem pela divisão do tempo TDM Síncrono TDM Estatístico FDM-Multiplexagem pela divisão na frequência. Introdução. No caso mais simples cada canal de transmissão transporta apenas os sinais de uma fonte

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fundamentos de telecomunica es

Fundamentos de Telecomunicações

Aula 4:

Multiplexagem

sum rio
Sumário
  • TDM -Multiplexagem pela divisão do tempo
  • TDM Síncrono
  • TDM Estatístico
  • FDM-Multiplexagem pela divisão na frequência
introdu o
Introdução
  • No caso mais simples cada canal de transmissão transporta apenas os sinais de uma fonte
  • Quando o canal de transmissão possui capacidade muito superior ao débito da fonte, pode-se usar esse canal para transportar os sinais de mais do que uma fonte
  • Quando isso acontece diz-se que o canal está a ser partilhado ou multiplexado.
slide7
Sinal amostrado é nulo no espaço entre amostras
    • Durante grande parte do tempo
    • Podemos aproveitar os tempos mortos para transmitir amostras de sinais doutras fontes
slide9

TDM

frequência

tempo

TDM
multiplexagem por divis o no tempo tdm
Multiplexagem por divisão no tempo: TDM
  • Processo Digital que permite que várias conexões partilham uma ligação com muita largura de banda
  • Fatias (Slots) de tempo e Tramas (Frames)
    • Cada PC tem uma fatia de tempo
    • No TDM uma trama consiste num ciclo completo de fatias de tempo
  • Based on
  • Data Communications and Networking, 3rd EditionBehrouz A. Forouzan,
  • McGraw-Hill Companies, Inc., 2004
quadros tdm
Quadros TDM
  • TDM Puro: débito mux-para-mux = débitos dos PCs agregados
  • Sem perdas de dados (similar à multiplexagem de chamadas telefónicas)
  • Based on
  • Data Communications and Networking, 3rd EditionBehrouz A. Forouzan,
  • McGraw-Hill Companies, Inc., 2004
slide16

Exemplo 1

4 ligações 1-Kbps são multiplexadas. A unidade é 1 bit. Determine:(1) A duração de 1 bit antes da multiplexagem, (2) O débito da ligação , (3) a duração duma fatia de tempo (4) a duração dum quadro?

Solução

Podemos responder assim:

1. A duração do bit é 1/1 Kbps, ou 0.001 s (1 ms).

2. O débito da ligação é 4 Kbps.

3. A duração de cada fatia de tempo é 1/4 ms ou 250 ms.

4. A duração de cada quadro é 1 ms.

intercala o
Intercalação
  • Multiplexador/Desmultiplexador processa um PC de cada vez
  • Intercalação de caracter (byte)
    • A multiplexagem processa de cada vez um/mais caracteres de cada unidade
  • Intercalação de bit
    • A multiplexagem processa um bit de cada unidade de cada vez
slide18

Exemplo 2

Quatro canais são multiplexados usando o TDM. Cada um deles envia 100 bytes/seg e é multiplexado 1 byte por canal. Mostre o quadro a viajar no canal, a duração do quadro, a taxa de quadros e

o débito em bits para a ligação

sincroniza o
Sincronização
  • Questão essencial da multiplexagem é a sincronização entre comutador e o distribuidor
    • Cada amostra tem que ser entregue ao destino correcto e no instante devido
    • O distribuidor deve estar posicionado na saída do destino i sempre que chega amostra originária da fonte i (trama alinhada)
conceito de canal virtual
Conceito de Canal Virtual
  • Tudo se passa como se cada para fonte destino tivesse um caminho dedicado onde transitam amostras do respectivo sinal
  • Este conceito aparece frequentemente em outros contextos de telecomunicações em especial na comunicação de dados e comunicação entre computadores
t cnicas de tdm
Técnicas de TDM
  • Na técnica descrita
    • Símbolos sucedem-se regularmente no tempo
    • Tramas contíguas sem interrupção
  • TDM síncrono
    • Quando uma fonte deixa de transmitir os intervalos de tempo que lhe estão atribuídos têm que decorrer pois são esses intervalos que identificam a fonte
  • TDM assíncrono
    • Não se exige a referida ordenação temporal nem a contiguidade das tramas e pode-se usar o tempo desperdiçado.
aplica es tdm
Aplicações TDM
  • Telefone Digital
  • Comunicação de Dados
  • Acesso a satélite
  • Rádio Celular
introdu o1
Introdução
  • A primeira forma apareceu com a digitalização TDM do sistema telefónico
  • Começou com a preocupação de transmitir canais de voz de qualidade telefónica
    • Sistemas de multiplexagem TDM
  • A sua estrutura mostrou-se desadequado para TV digital, comunicação entre computadores
    • Surgiram outras estruturas de multiplexagem como a SDH e a SONET
  • Usaremos o PCM como referência e abordaremos aspectos de outros sistemas
organiza o de tramas
Organização de Tramas
  • Os sistemas TDM digitais multiplexam os canais na forma digital binária
    • Fontes analógicas são previamente digitalizdas
    • A cada amostra PAM passa a corresponder um grupo de k bits (uma palavra)
    • O ritmo unitário corresponde a uma canal telefónico (4kHz) com 8 bits por amostra
organiza o das tramas
Organização das Tramas
  • Constituída pela multiplexagem no tempo de N canais de K bits
    • 2 organizações
      • Canais entrelaçados
      • Dígitos entrelaçados
alinhamento das tramas
Alinhamento das tramas
  • Típica da multiplexagem síncrona
  • Sincronização do equipamento terminal de recepção tanto em frequência como em fase à frequência de símbolos que está a receber.
  • Operação necessária cada vez que o receptor entra em operação
    • Inicial ou após interrupção
receptor alinhado
Receptor alinhado
  • Precisa de referência temporal periódica para verificar isocronismo e detectar eventuais desvios de fase
  • Referência temporal consiste num padrão de bits organizado da seguinte forma
    • Alinhamento agrupado: v bits consecutivos no ínicio de cada trama
    • Alinhamento distribuído: os v bits do padrão estão distribuídos na mesma trama ou em várias
refer ncia temporal simulada
Referência temporal simulada
  • Padrão com baixa auto-correlação
  • Bloqueando canais da trama e enviando sequência determinística
  • Confirmando o correcto alinhamento através de critérios diferentes (ausência de padrão de alinhamento em tramas alternadas)
sinaliza o
Sinalização
  • Transmissão de informação de controlo entre equipamentos de multiplexagem
    • Possui semântica própria
    • Sinalização dentro do octeto (em banda)
    • Sinalização fora do octeto
    • Sinalização em canal comum (+ utilizada)
sistemas de multiplexagem pcm
Sistemas de Multiplexagem PCM
  • Proliferação de sistemas de multiplexagem incompatíveis
    • Ritmos de transmissão
    • Número de canais por trama
    • Método de sinalização
  • Normas ITU
    • Sistema Europeu
    • Sistema Americano (AT&T)
sistema de multiplexagem prim rio europeu
Sistema de Multiplexagem Primário Europeu
  • Referenciado abreviadamente como ritmo de 2Mbps resultante da composição da trama com 125us de duração por 32 canais básicos
  • Canais 1-15;17-31 constituem os 30 canais de informação utilizáveis
  • Canal 0 destina-se à transmissão em tramas alternadas do padrão de alinhamento da trama
  • Canal 16- Usado para numeração das tramas num alinhamento multitrama
  • Sinalização fora do octecto
sistema de multiplexagem prim rio amerciano
Sistema de Multiplexagem Primário Amerciano
  • 24 canais +1 bit de sincronismo de trama =193 bits
  • 193bits/125 us = 1544 Kbps~1.5Mbps
  • Sinalização dentro do octeto : último bit de cada canal das tramas 6 e 12
hierarquia de multiplexagem pdh
Hierarquia de Multiplexagem PDH
  • Para multiplexar um maior número de canais
    • Recorre-se à hierarquização de estágios de multiplexagem sucessivos
      • Ritmo agregado mais elevado
hierarquia de multiplexagem pdh2
Hierarquia de Multiplexagem PDH
  • Infra-estruturas das operadoras estão estruturadas segundo esta hierarquia
    • Utente deve dispor de terminal apropriado para o serviço que pretende usar
      • Se não for o caso tem que se intercalar um DSU
anisocronismo das tribut rias
Anisocronismo das tributárias
  • Os multiplexadores de nível inferior a um determinado nível de multiplexagem são designadas tributárias
    • Na construção do nível n de multiplexagem a partir de tramas de n-1 há o problema do assincronismo das tributárias
      • Fontes geograficamente distantes
        • Frequências ligeiramente diferentes
        • Frequências isócronas mas desfasadas
        • Desfasamento provoca atrasos (jitter)
formatos de tramas sdh e sonet
Formatos de tramas SDH e SONET
  • Tramas básicas: blocos de 810 bytes com 125 us de duração
    • Coincide com o período PCM: são produzidas 8000 tramas por segundo
    • Sistema síncrono: as tramas são sempre emitidas com informação útil ou não
    • Tramas descritas com matriz 9*90
formatos de tramas sdh e sonet1
Formatos de tramas SDH e SONET
  • Ritmo binário bruto
    • 810x8=6480 bits/125 us -> 51.84 Mbps (canal básico SONET)
    • Trama correspondenre STS-1
    • Todos os restantes ritmos são múltiplos do STS-1
    • 3 1ºs bytes são reservados para gestão do sistema (sinalização da linha e da secção)
    • Restantes 87 colunas transportam dados do utilizador - as origens/destinos ligados aos equipamentos terminais. Esses dados SPE (Synchronous Payload Envelope)
multiplexagem s ncrona
Multiplexagem síncrona
  • Apropriada para transmissão digitalizada de fontes que produzem tráfego a um ritmo contínuo ou regular
  • Existem fontes que não se comportam desta forma
    • Computadores, Terminais de Dados
    • Tráfego produzido de forma aleatória
caracter stica do tr fego gerado por computador
Característica do Tráfego Gerado por Computador
  • De natureza aleatória
  • Multiplexador para tirar partido deveria
    • Alocar dinamicamente as ranhuras temporais das tramas de saída
      • Em função da existência de informação nos buffers de entrada e com o seu estado de ocupação

Multiplexagem estatística ou assíncrona

caracter stica do tr fego gerado por computador1
Característica do Tráfego Gerado por Computador
  • Intermitente não regular
  • Carácter Aleatório
  • Com elevado factor de crista
    • Relação elevada entre o ritmo binário nominal e médio (>> 1)
      • Muitos picos (bursts) de tráfego
      • Muitos tempos mortos
caracter sticas do trafego gerado por computador1
Características do trafego gerado por computador
  • Unidade de dados (DU) de transmissão
    • Equipamento nunca transmite apenas um bit
      • Ou um byte ou um múltiplo do byte
    • DU é um conjunto de bits emitidos consecutivamente e interpretado como um todo
      • DU pode ser de tamanho fixo ou variável (mensagens)
    • Da figura anterior
tdm estat stico1
TDM Estatístico
  • Débito Mux-to-Mux < débito agregado dos terminais/hosts
  • Fatias de tempo alocadas baseada em padrões de tráfego
      • Usar estatística para determinar alocação entre utilizadores
      • Tem que nviar o endereço da porta com os dados (sobrecarga)
  • Potencia perdas em períodos de pico
      • Pode usar buffer de dados e controlo de fluxo para reduzir perdas
  • Nem sempre transparente aos terminais/hosts
      • Perdas e atrasos são possíveis
  • Porquê usar o STDM
      • Mais económico (menos MUXs e linhas mais baratas) e eficiente
desempenho
Desempenho
  • Recorre-se à teoria das filas de espera para descrever o comportamento do multiplexador estatístico
slide69

Classificação de Modelo de Filas

Processo de Chegada / Tempo de Serviço / Servidores / Max Ocupação

Intervalo entre chegadas 

M = exponencial

D = determinístico

G = geral

Ritmo de chegada:

E[ ]

Service times X

M = exponential

D = deterministic G = geral

Tempo de serviço:

E[X]

K clientes

Não especificado se ilimitado

1 servidor

c servidores

infinito

Multiplexer Models: M/M/1/K, M/M/1, M/G/1, M/D/1

Modelos de Trunking: M/M/c/c, M/G/c/c

Actividade de utilizadores: M/M/, M/G/ 

slide70

Variáveis de um Sistema de Fila de Espera

N(t) = nº no sistema

N(t) = Nq(t) + Ns(t)

Nq(t) = nº na fila

Ns(t)

Nq(t)

Ns(t) = nº em serviço

1

Pb)

2

T = atraso total

c

W

X

W = tempo de espera

Pb

T = W + X

X = tempo de serviço

slide71

Classificação de Modelo de Filas

Processo de Chegada / Tempo de Serviço / Servidores / Max Ocupação

Intervalo entre chegadas 

M = exponencial

D = determinístico

G = geral

Ritmo de chegada:

E[ ]

Service times X

M = exponential

D = deterministic G = geral

Tempo de serviço:

E[X]

K clientes

Não especificado se ilimitado

1 servidor

c servidores

infinito

Multiplexer Models: M/M/1/K, M/M/1, M/G/1, M/D/1

Modelos de Trunking: M/M/c/c, M/G/c/c

Actividade de utilizadores: M/M/, M/G/ 

exemplo 6 2
Exemplo 6.2
  • Considere-se um multiplexador estatístico com entradas de de 64Kbps e saída de 120Kbps. Suponha-se que os equipamentos ligados à entrada transmitem unidades de dados (DUs) de comprimento fixo igual a 1000 bits durante 40% do tempo a uma ritmo aleatório (Poisson), isto é, tempos entre DUs distribuídos segundo uma exponencial negativa. Valores para esta situação
  • k=1000 bits; rbe=64000 bps; rbs=128000; alfa=0.4
  • 3 equipamentos ligados à entrada
  • 4 equipamentos ligados à entrada
fdm multiplexagem por divis o da frequ ncia
FDM: Multiplexagem por divisão da Frequência
  • Atribui diferentes frequências analógicas a cada dispositivo ligado
  • Tal como TDM puro
      • Velocidade mux-mux- agregação velocidade de terminais
      • Não há perdas de dados- transparente ao utilizador
  • Canais separdos por banda de guarda
dom nio da frequ ncia

watts

Portadora

Sinal

Frequência

Domínio da frequência

Não Modulado

Banda de Base (BB)

Modulado

watts

Portadora

Signal

Frequência

BB

BB

slide83

Example:

4 users

FDM

frequency

time

processo fdm
Processo FDM
  • Os sinais de cada canal são modulados usando diferentes portadoras
  • Os sinais modulados resultados são combinados num sinal composto que é enviado através do canal
  • O canal tem que ter largura de banda suficiente para o transportar.
desmultiplexagem fdm
Desmultiplexagem FDM
  • O desmultiplexador usa uma série de filtros para decompor o sinal multilexado nos seus sinais constituintes
  • Os sinais individuais são então desmodulados e passados aos receptores
slide90

Exemplo 6

Assuma que um canal de voz ocupa uma largura de banda de 4 KHz. Precisamos de combinar três canais de voz num canal com largura de banda de 12 KHz, de 20 a 32 KHz. Mostre a configuração no domínio da frequência sem usar bandas de guarda.Show the configuration using the frequency domain without the use of guard bands.

slide92

Exemplo 7

5 canais cada um dos quais com 100 KHz de largura de banda, vão ser multiplexados conjuntamente. Qual é a largura de banda mínima da ligação a usar se for necessária uma banda de guarda de 10 KHz entre os canais para prevenir interferência?

slide96
WDM
  • Técnica de multiplexagem analógica para combinação de sinais ópticos
  • Fluxos de luz múltiplos a diferentes frequências
  • Transportado por fibra óptica
  • Uma forma de FDM
  • Cada cor de luz transporta um canal de dados diferente
  • Sistemas comerciais de 160 canais de 10 Gbps disponíveis